題目
Problem
- Evaluate n→∞lim(nn+11+nn+21+⋯+nn+n1).
解答
解法一:黎曼和直接積分法
思路
展開
- 將級數極限整理為包含 nk 與外部因子 n1 的黎曼和(Riemann Sum)形式。
- 原式可化簡為:
limn→∞∑k=1nnn+k1=limn→∞∑k=1nn11+nk1
- 將其轉換為區間 [0,1] 上的定積分:
∫011+x1dx
- 利用基本冪函數的積分公式求解。
答題過程
展開
將級數以求和符號表示,並進行通項整理:
n→∞limk=1∑nnn+k1=n→∞limk=1∑nn2(1+nk)1=n→∞limk=1∑nn1⋅1+nk1
此式為函數 f(x)=1+x1 在區間 [0,1] 上的右黎曼和。
當 n→∞ 時,此極限收斂至定積分:
∫011+x1dx=∫01(1+x)−1/2dx
計算此定積分:
[2(1+x)1/2]01=22−21=2(2−1)
解法二:變數代換積分法
思路
展開
- 將極限寫成定積分 ∫011+x1dx。
- 進行變數代換,令 u=1+x 以消去根號。
- 計算微分關係與對應的上下限,並求解積分值。
答題過程
展開
原極限式寫成定積分:
I=∫011+x1dx
使用變數代換,令 u=1+x⟹u2=1+x⟹2udu=dx:
- 當 x=0⟹u=1。
- 當 x=1⟹u=2。
代入積分式:
I=∫12u1⋅2udu=∫122du=[2u]12=2(2−1)